JP4589049B2 - 圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法およびそれに用いる装置に関するものである。

従来から、空気等の混合ガスから窒素，酸素等の製品ガスを製造する装置として種々の装置が用いられているが、装置設計が容易なことや設備費が安価なことから、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）方式による酸素ガス製造装置が広く用いられている。このＰＳＡ方式による酸素ガス製造装置では、例えば、つぎのようにして、原料空気から酸素ガスと窒素ガスとを分離するようにしている。すなわち、原空ブロワ３１と、２個一対の吸着槽３２，３３と、レシーバータンク３４と、ルーツ式の真空ブロワ３５とを用い（図７参照）、まず第１工程（図７参照）において、原空ブロワ３１により圧縮した原料空気を左吸着槽３２に供給し、この左吸着槽３２の吸着剤により圧縮空気中の窒素ガスを主に吸着したのち、吸着剤で吸着されない酸素ガスを製品酸素ガスとして取り出し、レシーバータンク３４に供給する（吸着分離工程）。一方、右吸着槽３３では、その内部を真空ブロワ３５により減圧排気し、この右吸着槽３３の吸着剤に吸着されている窒素ガス等を脱着させる（減圧再生工程）。ついで第２工程（図８参照）において、上記吸着分離工程を継続する。一方、上記減圧再生工程の最終段階で、右吸着槽３３内の負圧を利用してレシーバータンク３４内の製品酸素ガスの一部を右吸着槽３３に供給する（パージ工程）。つぎに第３工程（図９参照）において、上記吸着分離工程を終了し、左吸着槽３２の内部を真空ブロワ３５により減圧排気する。一方、上記減圧再生工程の終了後に、右吸着槽３３にレシーバータンク３４内の製品酸素ガスの一部を供給しながら、原空ブロワ３１により取り入れた原料空気を供給する（復圧工程）。

そののち第４工程（図１０参照）では、左吸着槽３２での減圧再生工程を継続する。一方、上記復圧工程の終了後に、右吸着槽３３に原空ブロワ３１により原料空気を供給しながら、製品酸素ガスを抜き出す。この第４工程は第１工程に相当する工程であり、両吸着槽３２，３３の作用が入れ替わったものである。そして、第４工程以降も、第２および第３工程と同様の工程（第２および第３工程において、両吸着槽３２，３３の作用が入れ替わった工程）を繰り返し行い、原料空気から酸素ガスと窒素ガスとを分離するようにしている。

このようなＰＳＡ方式による酸素ガス製造装置において、性能上で重要視されるものの１つに消費動力があり、その低消費動力化が望まれている。また、一般的にＰＳＡ方式による酸素ガス製造装置を構成する原空ブロワ３１と真空ブロワ３５の消費動力は、原空ブロワ３１：真空ブロワ３５＝１：２．５の比率になっており、真空ブロワ３５の装置全体に占める動力比率が高い。この理由としては、両吸着槽３２，３３内での吸着剤による圧力損失，配管抵抗が大きいため、真空ブロワ３５の排気効率が低く、到達時間（吸着剤に吸着した窒素ガス等を脱着するための設定脱着圧力までに到達する時間）が長くなって消費動力が増大すること、および真空排気容積の大きな真空ブロワ３５を用いていること等が挙げられる。そこで、装置の消費動力に大きな影響を及ぼす真空ブロワ３５を効率的に運転することで、真空ブロワ３５の低消費動力化，小型化を図ることのできる方法，装置が強く要望されている。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、真空ブロワの低消費動力化，小型化を図ることのできる圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法およびそれに用いる装置の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、ガスを選択的に吸着する吸着剤を収容した２個一対の吸着塔を備え、一方の吸着塔に圧縮した原料空気を供給し、この吸着塔内の吸着剤に上記原料空気中の窒素ガスを吸着させ、上記吸着剤に吸着されない酸素ガスを製品ガスとして取り出し、その間に、他方の吸着塔内を減圧して、吸着剤に吸着された窒素ガスを脱着させる圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法であって、上記各吸着塔は、その塔内に複数の吸着剤層を備え、これら吸着剤層が、各層間に所定の隙間をあけた状態で上下に積層されており、上記一方の吸着塔の底部から圧縮原料空気を供給し、これら各吸着剤層を通過してその頂部から取り出された酸素ガスを、製品ガスとしてレシーバータンクに貯留するとともに、上記各吸着塔における複数の吸着剤層のうち最下段の吸着剤層の下側の空間および上記吸着剤層間の隙間には、排気管がそれぞれ接続されており、真空ブロワを用いて上記他方の吸着塔内を真空排気し、この吸着塔内の負圧を利用して、上記レシーバータンク内の製品酸素ガスの一部をその頂部から供給し、各吸着剤層に吸着した窒素ガスを脱着させることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法を第１の要旨とする。また、本発明は、窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を収容した２個一対の吸着塔と、これらの吸着塔に圧縮した原料空気を供給する原空ブロワと、上記各吸着塔内を減圧する真空ブロワとを備える圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置であって、上記各吸着塔は、その塔内に複数の吸着剤層を備え、これら吸着剤層が、各層間に所定の隙間をあけた状態で上下に積層され、これら複数の吸着剤層のうち最下段の吸着剤層の下側の空間および上記吸着剤層間の隙間には、上記真空ブロワに繋がる排気管がそれぞれ開閉弁を介して接続され、上記各吸着塔の底部には、上記原空ブロワに繋がる入口管が開閉弁を介して接続され、上記各吸着塔の頂部には、各吸着剤層で吸着されなかった酸素ガスを取り出すための出口管が接続され、この出口管の他端に、上記各吸着塔から取り出された酸素ガスを、製品ガスとして貯留するためのレシーバータンクが配設されているとともに、上記各開閉弁の操作により、上記圧縮原料空気が上記原空ブロワから一方の吸着塔にのみ供給されているとき、他方の吸着塔に繋がる上記出口管の開閉弁が開放され、上記真空ブロワを用いて他方の吸着塔内が真空排気され、この吸着塔内の負圧を利用して、上記レシーバータンク内の製品酸素ガスの一部が、上記出口管を通じて吸着塔の頂部から供給されるようになっていることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置を第２の要旨とする。

すなわち、本発明の圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法は、吸着分離工程において特定ガスを選択的に吸着する吸着剤を収容した吸着塔を備えている。そして、上記吸着塔内に複数の吸着剤層を、各層間に所定の隙間をあけた状態で上下に積層し、減圧再生工程において、真空ブロワで上記複数の吸着剤層の下側空間および上記隙間から吸着塔内を真空排気し、吸着分離工程で吸着剤に吸着した特定ガスを脱着させるようにしている。このように、減圧再生工程において、吸着塔の下部からだけではなく、最下段の吸着剤層より上側の部分からも真空ブロワで真空排気する場合には、上記上側の部分から真空排気する際の、吸着塔内での吸着剤による圧力損失，配管抵抗が小さいため、全体として真空ブロワの排気効率が高くなる。特に、減圧再生工程において、減圧再生開始時の風量が大きいときには、真空ブロワの排気効率が非常に高い。したがって、従来例と同容量の真空ブロワを用いる場合には、到達時間（吸着剤に吸着した窒素ガス等を脱着するための設定脱着圧力までに到達する時間）を短縮化して消費動力を減少させることができ、もしくは真空排気容積の小さな真空ブロワを用いることで小型化することができる。このように、本発明の圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法では、真空ブロワの低消費動力化や小型化が可能となる。一方、本発明の圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置によれば、上記優れた効果を奏する圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法を効率よく行うことができる。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１は本発明の圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置の一実施の形態を示している。図において、１は原空ブロワで、２はルーツ式の真空ブロワで、３はレシーバータンクである。これら原空ブロワ１，真空ブロワ２，レシーバータンク３は、図７〜図１０に示す従来例と同様構造のものが用いられている。４，５は２個一対の吸着塔であり、互いに同様構造に作製されている〔図２参照。図２では、一方の吸着塔４（５）しか図示せず〕。すなわち、上記両吸着塔４（５）には、その内部に吸着剤６（７）が収容されている。これら両吸着剤６（７）は、上下２段に積層された吸着剤層６ａ，６ｂ（７ａ，７ｂ）からなり、これら両吸着剤層６ａ，６ｂ（７ａ，７ｂ）間に隙間６ｃ（７ｃ）が形成されている。

また、上記両吸着塔４（５）の底壁から入口管４ａ（５ａ）が延びており、上記原空ブロワ１に開閉弁１１ａ（１２ａ）付き原料空気供給管１１（１２）を介して連結し、上記真空ブロワ２に開閉弁１３ａ（１４ａ）付き第１真空排気管１３（１４）を介して連結している。また、上記両吸着塔４（５）の横周側壁のうち、上記隙間６ｃ（７ｃ）に対応する部分から、開閉弁１５ａ（１６ａ）付き第２真空排気管１５（１６）が延びており、上記第１真空排気管１３（１４）に連結している。図２において、４ｂ（５ｂ）は上記両吸着塔４（５）の天壁から延びる出口管であり、上記レシーバータンク３に開閉弁（図示せず）付き製品ガス取り出し管１７ａ，１７ｂ（図１，図３，図５参照）および開閉弁（図示せず）付きパージガス供給管１８（図３参照）に連結している。

上記構成において、左吸着塔４の内部を真空排気する場合には、左吸着塔４の下部と真空ブロワ２とを入口管４ａ，第１真空排気管１３を介して連通するとともに、左吸着塔４の上記隙間６ｃと真空ブロワ２とを第２真空排気管１５を介して連通することを行う（図４参照）。一方、右吸着塔５の内部を真空排気する場合には、右吸着塔５の下部と真空ブロワ２とを入口管５ａ，第１真空排気管１４を介して連通するとともに、右吸着塔５の上記隙間７ｃと真空ブロワ２とを第２真空排気管１６を介して連通することを行う。

また、上記構成において、つぎのようにして、原料空気から酸素ガスと窒素ガスとを分離する。すなわち、まず第１工程（図１参照）で、原空ブロワ１により圧縮した原料空気を左吸着塔４に原料空気供給管１１を介して供給し、この左吸着塔４の吸着剤により圧縮空気中の窒素を主に吸着したのち、吸着剤で吸着されない酸素を製品酸素ガスとして取り出し、レシーバータンク３に製品ガス取り出し管１７ａを介して供給する（吸着分離工程）。一方、右吸着塔５では、その内部を第１，第２真空排気管１４，１６を介して真空ブロワ２により減圧排気し、この右吸着塔５の吸着剤に吸着されている窒素ガス等を脱着させる（減圧再生工程）。ついで第２工程（図３参照）では、上記吸着分離工程を継続する。一方、上記減圧再生工程の最終段階で、右吸着塔５内の負圧を利用してレシーバータンク３内の製品酸素ガスの一部を右吸着塔５にパージガス供給管１８を介して供給する（パージ工程）。つぎに第３工程（図４参照）では、上記吸着分離工程を終了し、左吸着塔４の内部を第１，第２真空排気管１３，１５を介して真空ブロワ２により減圧排気する。一方、上記減圧再生工程の終了後に、右吸着塔５にレシーバータンク３内の製品酸素ガスの一部を供給しながら、原空ブロワ１により取り入れた原料空気を原料空気供給管１２を介して供給する（復圧工程）。そののち第４工程（図５参照）では、左吸着塔４での減圧再生工程を継続する。一方、上記復圧工程の終了後に、右吸着塔５に原空ブロワ１により原料空気を供給しながら、製品酸素ガスをレシーバータンク３に製品ガス取り出し管１７ｂを介して取り出す。この第４工程は第１工程に相当する工程であり、両吸着塔４，５の作用が入れ替わったものである。そして、第４工程以降も、第２および第３工程と同様の工程（第２および第３工程において、両吸着塔４，５の作用が入れ替わった工程）を繰り返し行い、原料空気から酸素ガスと窒素ガスとを分離するようにしている。

このように、上記実施の形態では、減圧再生工程において、両吸着塔４，５の吸着剤６（７）の下側空間からだけでなく、両吸着剤６（７）を構成する上下の吸着剤層６ａ，６ｂ（７ａ，７ｂ）間の隙間６ｃ（７ｃ）からも、真空ブロワ２により真空排気しているため、真空ブロワ２の排気効率が高い。したがって、真空ブロワ２として、従来の真空ブロワ３５を用いる場合には、到達時間を短縮化して消費動力を減少させることができる。また、真空ブロワ２として、従来の真空ブロワ３５より真空排気容積の小さなものを用いることもできる。

図６は上記吸着塔４，５の変形例を示している。この例では、上記吸着塔４，５の内部に収容される吸着剤６，７が、上下３段に積層された吸着剤層２０ａ，２０ｂ，２０ｃ（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）からなり、これら各吸着剤層２０ａ，２０ｂ，２０ｃ（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）間に隙間２２ａ，２２ｂ（２３ａ，２３ｂ）が形成されている。また、上記両吸着塔４，５の横周側壁のうち、上記両隙間２２ａ，２２ｂ（２３ａ，２３ｂ）に対応する部分から、開閉弁２４ａ（２５ａ）付き第２真空排気管２４（２５）および開閉弁２６ａ（２７ａ）付き第３真空排気管２６（２７）が延びており、上記第１真空排気管１３（１４）に連結している。それ以外の部分は上記実施の形態の吸着塔４，５と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この変形例を用いた場合にも、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏する。

なお、上記変形例では、吸着剤６，７が上下３段に積層されているが、これに限定するものではなく、上下に４段以上に積層されていてもよい。また、上記変形例では、両隙間２２ａ，２２ｂ（２３ａ，２３ｂ）からそれぞれ真空排気管２４，２６（２５，２７）が延びているが、一方の隙間２２ａ（２２ｂ）〔２３ａ（２３ｂ）〕からだけ真空排気管２４（２６）〔２５（２７）〕が延びていてもよい。

本発明の圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置の一実施の形態の作用を示す構成図である。 上記圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置に用いる吸着塔を示す説明図である。 上記圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置の作用を示す構成図である。 上記圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置の作用を示す構成図である。 上記圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置の作用を示す構成図である。 上記吸着塔の変形例を示す説明図である。 従来例の作用を示す構成図である。 上記従来例の作用を示す構成図である。 上記従来例の作用を示す構成図である。 上記従来例の作用を示す構成図である。

２ 真空ブロワ
４，５ 吸着塔
６，７ 吸着剤

Claims (2)

1. ガスを選択的に吸着する吸着剤を収容した２個一対の吸着塔を備え、一方の吸着塔に圧縮した原料空気を供給し、この吸着塔内の吸着剤に上記原料空気中の窒素ガスを吸着させ、上記吸着剤に吸着されない酸素ガスを製品ガスとして取り出し、その間に、他方の吸着塔内を減圧して、吸着剤に吸着された窒素ガスを脱着させる圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法であって、
   上記各吸着塔は、その塔内に複数の吸着剤層を備え、これら吸着剤層が、各層間に所定の隙間をあけた状態で上下に積層されており、上記一方の吸着塔の底部から圧縮原料空気を供給し、これら各吸着剤層を通過してその頂部から取り出された酸素ガスを、製品ガスとしてレシーバータンクに貯留するとともに、
   上記各吸着塔における複数の吸着剤層のうち最下段の吸着剤層の下側の空間および上記吸着剤層間の隙間には、排気管がそれぞれ接続されており、真空ブロワを用いて上記他方の吸着塔内を真空排気し、この吸着塔内の負圧を利用して、上記レシーバータンク内の製品酸素ガスの一部をその頂部から供給し、各吸着剤層に吸着した窒素ガスを脱着させることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素ガス製造方法。
2. 窒素ガスを選択的に吸着する吸着剤を収容した２個一対の吸着塔と、これらの吸着塔に圧縮した原料空気を供給する原空ブロワと、上記各吸着塔内を減圧する真空ブロワとを備える圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置であって、
   上記各吸着塔は、その塔内に複数の吸着剤層を備え、これら吸着剤層が、各層間に所定の隙間をあけた状態で上下に積層され、これら複数の吸着剤層のうち最下段の吸着剤層の下側の空間および上記吸着剤層間の隙間には、上記真空ブロワに繋がる排気管がそれぞれ開閉弁を介して接続され、上記各吸着塔の底部には、上記原空ブロワに繋がる入口管が開閉弁を介して接続され、上記各吸着塔の頂部には、各吸着剤層で吸着されなかった酸素ガスを取り出すための出口管が接続され、この出口管の他端に、上記各吸着塔から取り出された酸素ガスを、製品ガスとして貯留するためのレシーバータンクが配設されているとともに、
   上記各開閉弁の操作により、上記圧縮原料空気が上記原空ブロワから一方の吸着塔にのみ供給されているとき、他方の吸着塔に繋がる上記出口管の開閉弁が開放され、上記真空ブロワを用いて他方の吸着塔内が真空排気され、この吸着塔内の負圧を利用して、上記レシーバータンク内の製品酸素ガスの一部が、上記出口管を通じて吸着塔の頂部から供給されるようになっていることを特徴とする圧力スイング吸着式酸素ガス製造装置。